架空配电线路不宜使用大钢、铝截面比的钢芯铝

钢芯铝绞线
比较铝部截面积相同而钢芯截面积不同的钢芯铝绞线，可以看出钢、铝截面比大的比钢、铝截面比小的具有较大的拉断力。如果就此以为钢、铝截面比大的用起来更安全，是有失偏颇的，特别是在温差大的环境下更应注意。即使充分考虑了应力在钢芯和铝股中的分配而选用了合适的安全系数，在输电能力相同时，钢、铝截面比大的其自重、直径和张力也大，杆塔所受的垂直力和水平力也大，需要慎重考虑。
一、钢、铝截面比钢芯铝绞线中铝股分配的应力
邵天晓先生在《架空送电线路的电线力学计算（第二版）》（2003年）一书中，根据对钢芯铝绞线的应力-应变特性的分析，得出以下几点结论：
1. 钢芯的破坏应力σ_sb一定时，铝股分配的应力σ_am随钢、铝截面比φ的增大而增加；
2. 钢、铝截面比φ一定时，铝股分配的应力σ_am随钢芯的破坏应力σ_sb的增大而增加；
3. 气温低于电线的绞制温度时，铝股还要产生温差内应力，且随着温差的增加而增加。
为了说明问题，邵天晓先生以电线安全系数F=2.5，钢芯弹性系数E_s=196000N/mm²、线膨胀系数α_s=12×10^-61/℃，铝股弹性系数E_a=61800N/mm²、线膨胀系数α_a=23×10^-61/℃、破坏应力σ_ab=160 N/mm²，绞制时的线温t ₀=15℃，铝股相对永久变形c _r=6×10^-4为条件，计算得出在电线应力达到最大使用应力，考虑温差影响时的铝股最大使用应力σ_am与φ、σ_sb间的关系如表一。

GB/T1179-1983和GB/T1179-1999标准中，铝股标称截面积在100mm²及以下的普通型钢芯铝绞线的钢、铝截面比φ=0.17，根据表一的计算结果，可以得出采用钢、铝比φ=0.58的特强型钢芯铝绞线在上述计算条件下，二者的铝股最大使用应力σ_am的比值如表二。

如果不考虑应力变化对铝股相对永久变形的影响，以铝股最大使用应力σ_am≤80 N/mm²为控制条件，当σ_sb=1200 N/mm²时，若φ=0.17，可以取电线的综合安全系数F=2.5，若φ=0.58，应取F=2.5×（1.14～1.18）=2.85～2.95。当σ_sb=1500 N/mm²时，若φ=0.17，可以取电线的综合安全系数F=2.5×（1.06～1.15）=2.65～2.88，若φ=0.58，应取F=2.65×1.23=3.26或F=2.88×1.27=3.66。
架空配电线路点多面广，在钢芯铝绞线的设计、安装和运行工作中，主要注意电线的抗张力而常常忽视铝股分配的应力，在使用大钢、铝截面比的钢芯铝绞线时，就可能导致发生因铝股分配应力过大而断股以致断线的事故。
邵先生指出，自1980年以来，开始在架空地线上采用钢、铝比φ=0.58的特强型钢芯铝绞线作为良导体架空地线，其安全系数也多采用略大于2.5，但运行中相对振动、断股较多，其原因就是铝股分配应力较大所致。因此对这种特强型钢芯铝绞线应增大综合安全系数。《圆线同心绞架空导线 GB/T1179-1999》中删除大φ值钢芯铝绞线，除因有高强度钢芯代替大φ值线型外，亦可能有上述大φ值需增大综合安全系数而导致不经济的因素。
二、不同钢、铝截面比钢芯铝绞线的最大使用张力和线荷载
在用于导电的铝股截面积相同时，钢、铝截面比大的钢芯铝绞线因为钢芯的截面积较大，而钢芯的密度为7800kg/m³，铝股的密度为2703kg/m³，因而其自重明显增加。因为电线的总的截面积增大，其外径也相应增加，在覆冰厚度和风速相同时，其覆冰荷载和风荷载也要增加。为了利用钢、铝截面比大的钢芯铝绞线抗张力大的特点，选用的最大使用张力也较大。这样，在档距相同时，钢、铝截面比大的钢芯铝绞线比铝股截面积相同而钢、铝截面比较小的钢芯铝绞线的垂直荷载、横向水平荷载和顺线路荷载都大，对电杆、横担、拉线、金具和绝缘子等的强度要求也更高，结构也更复杂。例如，用钢、铝截面比0.58的钢芯铝绞线时，从经济和安全方面考虑，转角杆和终端杆就宜用等径杆组装。
下面就《LGJ钢芯铝绞线GB1179-83》中的几种电线作一比较。
1. 几种φ=0.17和φ=0.58电线的主要参数和最大使用张力如表三，其中T_m =0.95 T_b /F。

从表三可以看出，在所列安全系数条件下，钢、铝截面比0.58的钢芯铝绞线比钢、铝截面比0.17的钢芯铝绞线的最大使用张力增加约90%至超过一倍，其运行中的应力的差别也大致相似。
2. 上列电线的部分气象条件的线荷载如表四。

表四的计算公式如下（单位：N/m）
自重荷载                                                  
冰重荷载                          
垂直荷载即自重和冰重总荷载    p ₃₌ p₁ + p ₂
无冰时的风压荷载  
覆冰时导线风压荷载  
无冰有风时的综合荷载 
有冰有风时的综合荷载 
式中  9.80665—重力加速度，m/s²；
q—每千米导线的质量，kg/km；
  b—覆冰厚度，mm，表中为10mm；
d—导线直径，mm；                          
a—风速不均匀系数，采用下表所列数值；                                

v—设计风速，m/s，表中不覆冰时为30m/s，覆冰时为10m/s；
C—风载体型系数，当导线直径d＜17 mm时、 C=1.2， d≥17 mm时、C=1.1；
在表四中，荷载的脚注括号内数字为覆冰厚度和风速的数据。p₂、p₃标覆冰厚度（mm）, p₄、p₆标风速（m/s）, p₅、p₇左数为覆冰厚度（mm）、右数为风速（m/s）。
从表四可以看出，在档距相同时，在所列计算条件下，钢、铝截面比0.58的钢芯铝绞线比钢、铝截面比0.17的钢芯铝绞线的自重荷载增加约90%，综合荷载则增加约30%~40%。
3. 由电线的张力T、荷载p与档距l和弧垂ƒ的近似公式或可以看出，只要调整弧垂就能满足许用张力不超过某个确定值的要求，虽然钢、铝截面比较小的钢芯铝绞线的许用张力也较小，因为配电线路的档距一般都不大，电线的弧垂也不大，容易满足对地距离和交叉跨越的要求。
不考虑控制条件的变化时，电线张力近似与其最大使用张力成正比。根据上面对表三和表四的数据的分析，设钢、铝截面比为0.58的钢芯铝绞线的弧垂、线荷载和张力分别为ƒ_0.58、p _0.58和T_0.58，钢、铝截面比为0.17的钢芯铝绞线的弧垂、线荷载和张力分别为ƒ_0.17、p_0.17和T_0.17，取T_0.58=2 T_0.17, p _0.58=1.3 p _0.17，可以计算得出

若 p _0.58=1.4 p _0.17，则ƒ_0.17/ƒ_0.58=2/1.4=1.41。
即在上列同一气象条件下，电线铝股截面积相同时，用钢、铝截面比为0.17的钢芯铝绞线的弧垂只需比钢、铝截面比为0.58的钢芯铝绞线的弧垂增大40~50%，电线张力就可以满足安全要求。
三、在一些资料中，大钢、铝截面比的钢芯铝绞线载流量比铝部截面相同的小钢、铝截面比的大很多，不能由此认为大钢、铝截面比的钢芯铝绞线具有好得多的导电性。因为计算大钢、铝截面比的钢芯铝绞线载流量的最高允许温度是按地线确定的，而计算小钢、铝截面比的钢芯铝绞线载流量的最高允许温度是按导线线确定的。实际上，在输送电流较大时，铝部截面相同的大钢、铝截面比导线的交流电阻比小钢、铝截面比的导线略大。